近60年陇东地区极端气温变化特征及对农业生产的影响

车向军，张天峰，车 可，张红妮

（庆阳市气象局，甘肃 庆阳 745000）

在全球气候变暖的背景下，温度升高造成的高温干旱、强寒潮及暴洪等极端灾害事件发生频率和发生强度呈加剧发展的变化趋势［1］。极端天气气候事件预测难度大，且具有突发性强、破坏性大等特点，严重影响到区域农业发展、社会经济建设、人民生产生活安全及脱贫成效的巩固等，对区域可持续发展造成重大影响［2］。IPCC评估报告指出［3］，从1880—2012年全球平均气温上升了0.85 ℃，1951—2012年全球平均地表温度的升温速率更为显著，气候变化和天气变暖的速度与幅度空前加剧。据世界气象组织报告［4］，21世纪初，因极端天气和气候事件造成全球超过37万人死亡。极端高温天气的出现频率和强度有所增强，极端低温天气出现的频率有所下降但造成的影响和灾害损失不断加重［5］。因此，极端气温的变化已成为人们关注和研究的热点问题，并取得了一定的研究成果。杨阳等［6］研究表明，全国范围内4个极端高温指数均呈上升趋势，尤其在2000年以后极端高温指数的变化率增大，一些高纬度、高海拔地区比低纬度、低海拔地区更“暖”。王岱等［7］研究发现，极端气温变化率在东北地区波动范围最大，而在西南地区波动范围最小，夜间极端气温指数变化幅度最大，且极端气温指数均与平均气温呈显著相关，其中阈值指数与平均气温的相关性最好。申红艳等［8］利用青海省37个气象站点1961—2011年近51年的气温资料分析得出，青海省极端气温呈明显上升趋势，极端冷指标的减少幅度高于极端暖指标的增加幅度，在气候变暖突变前后极端气温指数表现出明显差异。

陇东地处中国西北地区、甘肃省东部，属半湿润半干旱气候区，地形复杂，境内高山、河谷、丘陵、平原交错，气候垂直分布，地域差异明显。随着全球气候的变暖，该地区气候亦发生相应变化，气温明显升高，极端高温事件频繁发生，农业遭受晚霜冻害的风险加大，降水量变率大且呈减少趋势，春旱频发［9］。该地区生态环境脆弱，自然条件恶劣，极端气温的变化必然对该地区的社会经济发展、生态环境建设、粮食安全及巩固脱贫成效产生重大影响。本文采用世界气象组织（WMO）推荐使用的极端气温指数进行分析研究，揭示陇东地区极端气温的变化特征及演变趋势，提高区域对极端气候事件的预估，为强化风险调控及调整农业生产布局提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

陇东地区以庆阳市为主，所辖7县1区。本研究选取环县、庆城、西峰3 个有代表性的县（区）1961—2020 年近60年的气温资料进行分析。环县代表庆阳市北部山区；庆城县代表庆阳市中部川道丘陵地区；西峰区代表庆阳市南部塬区。数据资料分别来源于环县国家基本气象站、庆城县国家一般气候站、西峰国家基本气象站。

1.2 极端气温指数的选取

本研究在气候变化检测与极端事件指数专家组定义的极端气候指数中［10］，选取12个极端气温指数进行研究（表1），分析陇东地区极端气温的时空演变特征。这些极端高温指数能展现极端气候不同层面的变化，被证明具有噪声低、显著性强的特点［8］，有助于全面、客观、科学地认识全球陆地极端气候的变化规律和原因［11］。

表1 极端气温指数定义

2 结果与分析

2.1 极端气温指数的变化特征

根据庆阳市1961—2020年极端气温指数及变化趋势分析（表2），环县、庆城、西峰极端气温指数均值的冷（暖）昼（夜）日数，差异较小，中北部环县、庆城的霜冻日数、夏季日数、热夜日数较多，日最高（低）气温极高（低）值较大（小），表明庆阳中北部山川地区冬季较为寒冷，昼夜温差大。环县、庆城、西峰的日最高（最低）气温极值、暖昼日数、夏季日数及热夜日数等指数均呈上升趋势，环县的日最高气温极低值、日最低气温极高值、冷（暖）昼日数、夏季日数等指数的上升趋势最为明显，西峰的日最低气温极低值、热夜日数等指数的上升趋势最为明显，庆城的冷昼日数指数上升趋势最为明显。环县、庆城、西峰的冰冻日数、霜冻日数等指数呈下降趋势，环县的冰冻日数及西峰的霜冻日数指数下降趋势最为明显。环县、庆城的冷（暖）夜日数指数呈下降趋势，西峰的冷（暖）夜日数指数呈上升趋势。可以看出，极端暖指标为增加趋势，极端冷指标为减少趋势，这与杨金虎等［12］研究的西北地区极端低温事件在减少，而极端高温事件增加的结论相一致。极端冷指标的减少幅度大于极端暖指标的增加幅度，表现为该地区的气温变化具有显著的非对称性特征，在1961—2020年这60年中极端最高（低）气温升温显著，与之相关的极端气温指数也具有明显的变化，说明庆阳近60年气候变暖主要归因于最低气温及最高气温的显著升高。总体来看，庆阳因地形气候的差异，各地的极端气温指数变化趋势不同，北部环县的大部分极端气温指数趋势较为显著。

表2 1961—2020年庆阳市极端气温指数及变化趋势

2.2 极端气温指数的空间分布

根据庆阳各地极端气温指数的变化特征，本研究选取冰冻日数、霜冻日数、日最高气温极高值、夏季日数、热夜日数及日最低气温极低值进行研究（图3～图6）。

图3 1961—2020年庆阳各地日最低气温极低值变化距平图

图6 1961—2020年庆阳各地日最高气温极高值变化距平图

2.2.1 冰冻日数 近60年来，庆阳各地冰冻日数变化具有相似性，20世纪60～70年代中期，冰冻日数以偏多为主，其中环县冰冻日数偏多的情况最多，且冰冻日数最多的1年出现了79 d。从20世纪70年代中期至今冰冻日数以偏少为主，尤其是近30年来冰冻日数偏少的情况明显较多，西峰冰冻日数最多的情况偏少了28 d。

2.2.2 霜冻日数 近60年来，庆阳各地霜冻日数环县和庆城变化具有相似性， 20世纪60年代到21世纪前10年这2地霜冻日数偏多、偏少的情况交替出现，但环县霜冻日数偏多的情况较为明显，近10年来这2地都持续偏少。西峰以1997年为界，在此之前霜冻日数持续偏多，之后持续偏少。霜冻日数环县平均为143 d，最多为164 d；庆城平均为133 d，最多为161 d；西峰平均为125 d，最多为147 d。

2.2.3 日最低气温极低值 近60年来，庆阳各地日最低气温极低值都经历了由偏低向偏高的演变过程，环县日最低气温变化的幅度较大且近年来出现了持续偏高的现象，庆城偏高、偏低的情况交替出现，西峰由偏低逐渐演变为偏高，且变化趋势最为显著。总体来看，各地出现日最低气温极低值偏高、偏低的情况大体相当。庆城极端最低气温为-25.4 ℃，环县为-25.1 ℃，西峰为-22.6 ℃。近10年来，日极端最低气温为偏高状态。

2.2.4 夏季日数 近60年来，庆阳各地夏季日数变化情况不同，环县20世纪60年代夏季日数持续偏少，20世纪70～80年代夏季日数偏多、偏少的情况交替出现，20世纪90年代至今以偏多出现为主。庆城、西峰的变化趋势具有相似性，1994年以前夏季日数均以偏少为主、以后则以偏多为主。夏季平均日数庆城为100 d，环县为92 d，西峰为64 d。

2.2.5 热夜日数 近60年来，环县、庆城、西峰的热夜日数变化趋势大体相同，前期热夜日数以偏少为主，21世纪以来热夜日数明显偏多。环县20世纪60～90年代中期热夜日数持续偏少，20世纪90年代后期至21世纪前5年热夜日数由偏少向偏多过渡，最近15年为持续偏多。庆城热夜日数偏多、偏少的情况周期性出现，近10年来变化率逐渐增大。西峰20世纪热夜日数持续偏少，21世纪持续偏多。各地热夜日数最多为32～36 d，但个别年份未出现热夜日。

图2 1961—2020年庆阳各地霜冻日数变化距平图

2.2.6 日最高气温极高值 近60年来，庆阳各地日最高气温极高值变化趋势具有相似性，20世纪60年代、20世纪80～90年代中期日最高气温极高值均以偏低出现为主，其余时段以偏高出现为主。环县日最高气温极高值的偏高日多于偏低日，庆城和西峰日最高气温极高值的偏高日少于偏低日。日最高气温≥35.0 ℃的天数环县最多，为32 d，日极端最高气温为38.6 ℃；庆城为30 d，日极端最高气温为39.9 ℃；西峰最少，为6 d，日极端最高气温为36.4 ℃。

图4 1961—2020年庆阳各地夏季日数变化距平图

图5 1961—2020年庆阳各地热夜日数变化距平图

3 对农业生产的影响

由上述分析可知，1961—2020年陇东地区日极端最高气温、日极端最低气温均呈升温趋势，霜冻日数呈减少趋势。在增暖的形势下，热量资源增加，有利于作物种植结构的调整及特色作物的引种，但也易导致一些异常的气象灾害，进而导致农业生产风险的增大。

3.1 日极端最低气温的变化趋势对农业生产的影响

陇东各地日极端最低气温呈升高的变化趋势，西峰、环县、庆城的气候变化倾向率分别为0.72、0.30、0.14 ℃/10 a，其中西峰的日极端最低气温上升最为明显。因此，冬季的寒冷程度有所下降，农作物越冬遭受冻害危害程度缓解，对大力发展特色林果业较为有利。但部分暖冬天气对病菌、虫卵越冬有利，使得来年春季病虫害发生发展情况蔓延，导致病虫害防治成本的增加。

3.2 日极端最高气温的变化趋势对农业生产的影响

陇东各地日极端最高气温亦呈升高的变化趋势，气候变化倾向率在0.11～0.37 ℃/10 a之间，明显小于日极端最低气温的增温幅度。但近年来，气候异常变化，极端气温不断刷新历史极值，1997年7月陇东地区大部分地方日最高气温突破历史极值，2021年1月部分地方日最低气温突破历史极值，2021年7月环县日最高气温再次刷新历史极值。伏期的高温天气更加助推了干旱的发展，严重制约了农业生产的正常进行，另外，高温也易造成苹果果面“灼伤”、干裂，导致商品率下降。

3.3 霜冻日数的变化趋势对农业生产的影响

陇东各地霜冻日数呈减少趋势，其中西峰最为明显，为5.73 d/10 a，环县和庆城的霜冻日数在2.30～2.79 d/10 a，霜冻灾害频次下降。霜冻日数的减少，导致作物生育期的延长，有利于提升农作物的产量及品质。但近年来春季易发寒潮降温冻害，使果树花期遭受明显灾害，个别年份损失惨重。

4 结论

（1）陇东各地极端气温指数变化趋势大多具有相似性，冷昼日数、日最高（低）气温极低值、暖昼日数、夏季日数、热夜日数、日最高（低）气温极高值均呈增加（升高）趋势，冰冻日数、霜冻日数呈减少趋势，环县和庆城的冷夜日数、暖夜日数为减少趋势，西峰为增加趋势。

（2）极端气温的时空变化与全球变暖气候背景密切相关，在不同的区域及时间尺度上变化差异明显［13］。极端气温指数变化表明：陇东各地的气温以升温趋势为主，其中环县、西峰的升温幅度较庆城显著，尤其是南部塬区的西峰霜冻日数明显减少。

（3）极端气温指数变化趋势对农业生产有利有弊，但整体而言利大于弊。各地热量资源均有所增加，无霜期延长，有利于发挥资源禀赋，进行农业产业结构调整，大力发展特色农业。但极端气温的变化引发的冻害及高温干旱天气使农业生产和粮食安全的不稳定性增加，使农业生产面临着最复杂、最严峻的气象灾害危害。

本研究在了解陇东极端气温的变化特点及其对农业生产影响的基础上，分析研究了气候变化趋势对农业生产的影响，有效避免或缓解了极端天气事件对农业生产带来的不利影响，提高农业生产的稳定性。但农业生产对地域、时节较为敏感，今后可进一步利用季、月尺度的气象资料，划分不同地域并深入分析极端天气事件对陇东地区农业的影响，进一步提高研究成果的精细化程度。